A 7T-NDR Dual-Supply 28-nm FD-SOI Ultra-Low Power SRAM With 0.23-nW/kB Sleep Retention and 0.8 pJ/32b Access at 64 MHz With Forward Back Bias

静态随机存取存储器 微控制器 PMOS逻辑 计算机科学 电气工程 睡眠模式 泄漏(经济) 嵌入式系统 电压 计算机硬件 功率(物理) 工程类 物理 晶体管 功率消耗 经济 宏观经济学 量子力学
作者
Adrian Kneip,David Bol
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (3): 1311-1323 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tcsi.2022.3230984
摘要

This work presents a 16kB ultra-low power (ULP)SRAM macro in 28nm FD-SOI with high energy efficiency in active mode and ultra-low leakage (ULL) in sleep mode, embedded in the SleepRider micro-controller unit (MCU) intended for IoT edge applications. The proposed SRAM integrates custom 7T ULL bitcells based on negative differential resistance (NDR) structures and a pMOS-only write port, achieving 2.1x lower area than previous NDR-based bitcells. A dual-supply strategy combined with negative-wordline write-assist concurrently provides worst-case data retention and correct write operations, up to the 64-MHz MCU target frequency. The SRAM macro periphery combines several low-power techniques to extract the full potential of the novel 7T bitcells, reaching an unprecedented speed-energy-leakage optimum with only 2.5% area overhead. Adaptive forward body biasing (FBB) further improves active mode performance while ensuring robustness against PVT variations. Measurement results showcase a minimum energy point of 0.78pJ per 32b access (assuming 50% read/write) at 0.5V and 64MHz. Moreover, leakage power drops from 296nW/kB at 0.5V in idle conditions to 0.23nW/kB in sleep at the 0.46V data retention voltage (DRV), yielding more than 1000x leakage reduction. As such, the proposed SRAM achieves an excellent trade-off between area, leakage and energy in the 10-to-100MHz frequency range.
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